GB/T 7966-2009 声学 超声功率测量 辐射力天平法及性能要求 GB/T7966-2009 标准下载解压密码：www.bzxz.net
本标准规定了基于使用辐射力天平测定超声换能器总的辐射声功率的方法；建立了由靶获取待测声场并使用辐射力天平进行测量的原理；明确了辐射力方法在发生空化和温升情况下的使用限制；确定了辐射力方法在存在发散和聚焦波束情况下的定量使用限制；提供了评估所有测量不确定度的信息。

ICS17.140
中华人民共和国国家标准
GB/T7966—2009/IEC61161:2006代替GB/T7966—1987
超声功率测量
辐射力天平法及性能要求
AcousticsUltrasonicspowermeasurement-Radiationforcebalances andperformancerequirements(IEC61161:2o06UltrasonicsPowermeasurement-Radiationforcebalancesandperformancerequirements,IDT)量质量检
资料专用章
2009-09-30发布
数码防伪
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中国国家标准化管理委员会
2009-12-01实施
规范性引用文件
术语和定义
符号表
对辐射力天平的要求
测量条件的要求
测量不确定度
附录A（资料性附录）
附录B（规范性附录）
附录C（资料性附录）
附录D（资料性附录）
附录E（资料性附录）
附录F（资料性附录）
附录G（资料性附录）
辐射力测量各方面的附加信息
基本公式
超声功率测量的其他方法
传声媒质及除气
发散超声场的辐射力测量
几种天平装置的局限性
参考文献
GB/T7966—2009/IEC61161:2006Ⅲ
GB/T7966—2009/IEC61161:2006本标准等同采用IEC61161：2006《超声辐射力天平法及性能要求》（英文版）。功率测量
本标准代替GB/T7966—1987。Www.bzxZ.net
本标准与GB/T7966—1987相比主要变化如下：a)
拓宽了频率范围：从以前0.5MHz～10MHz修改为现在的：超声功率不大于1W时，频率范围0.5MHz~25MHz；超声功率不大于20W时，频率范围0.75MHz~5MHz。以附录的形式增加了有参考价值的如下内容：1)
辐射力测量各方面的附加信息；基本公式；
超声功率测量的其他方法；
传播媒质及除气；
发散超声场的辐射力测量；
几种天平装置的局限性。
本标准的附录A、附录C、附录D、附录E、附录F为资料性附录，附录B为规范性附录。本标准由中国科学院提出。
本标准由全国声学标准化技术委员会（SAC/TC17)归口。本标准起草单位：中国计量科学研究院、中国科学院声学研究所、上海交通大学、国家超声设备检测中心。
本标准主要起草人：边文萍、朱岩、杨平、朱厚卿、寿文德、王志俭。本标准所代替标准的历史版本发布情况为：GB/T7966—1987。
GB/T7966—2009/IEC61161:2006引
目前，超声换能器的总辐射声功率的测量方法有很多种（参见文献[1]、[2]、[3]及附录C)。本标准的目的是建立在液体中测量超声功率的标准方法，该方法使用重力天平完成低兆赫级频率范围内的辐射力的测量。辐射力测量的最大优点是不需要对辐射声束截面上的声场数据进行积分，即可获得总的辐射功率值。该标准确定了测量误差的来源，描述了一种用于评估总不确定度的系统步骤的程序，在实施功率测量时应该作出的预防措施以及应当考虑的不确定度。超声理疗仪的基本安全要求在IEC60601-2-5中确定并参考IEC61689，该文件规定超声功率测量的不确定度应优于15%。考急到这个标准在实际应用中的准确度降低等原因，需要建立不确定度优于7%的标准测量方法。对超声诊断设备公布的要求，包括声功率的要求，已在其他的IEC标准中（如IEC61157中)已做了规定
本标准中所使用的辐射力天平法的声功率测量的精度、准确度和重复性受到实际问题的影响。作为使用者的导则，附录
A采用与标准正文相同的章节顺序，提供了附加的信息O
1范围
声学超声功率测量
GB/T7966—2009/IEC61161:2006辐射力天平法及性能要求
本标准规定了基于使用辐射力天平测定超声换能器总的辐射声功率的方法；建立了由靶获取待测声场并使用辐射力天平进行测量的原理；明确了辐射力方法在发生空化和温升情况下的使用限制；确定了辐射力方法在存在发散和聚焦波束情况下的定量使用限制；提供了评估所有测量不确定度的信息本标准适用于：
使用辐射力天平，频率范围从0.5MHz～25MHz，超声功率不超过1W的测量；a)
使用辐射力天平，频率范围从0.75MHz～5MHz，超声功率不超过20W的测量；超声换能器总的声功率的测量，更适用于准直良好的波束；c)
使用重力型或力反馈型的辐射力天平。d)
注：该标准所参考的出版物名称均已列在参考文献中。2规范性引用文件
下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准。然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。GB/T15611—1995声学高频水听器校准（neqIEC60866：1987）GB/T16407—2006声学医用体外压力脉冲碎石机声场特性及其测量（IEC61846：1998，IDT）GB/T16540
在0.5MHz~15MHz频率范围内超声场特性及其测量水听器法(GB/T16540—1996,eqvIEC61102:1991)国际电工词汇（IEV)-801章：声学和电声学，802章：超声学IEC60050
IEC60854：1986
超声脉冲回波诊断仪性能测量方法IEC61101:1991
IEC61689:1996
3术语和定义
在0.5MHz～15MHz频率范围内使用平面扫描技术水听器的绝对校准超声理疗系统在0.5MHz～5MHz频率范围内性能要求及测量方法IEC60050的801、802章确立的以及下列术语和定义适用于本标准。3.1
acousticstreaming
声冲流
声波在媒质中引起的单向流动。3.2
自由场freefield
均匀各向同性媒质中，边界影响可以忽略不计的声场。3.3
【超声输出功率ultrasonic」outputpower在规定条件下和规定媒质中，优选为水，超声换能器向近似为自由场中发射的时间平均超声功率。符号：P
GB/T7966—2009/IEC61161:2006单位：瓦特（W）
辐射力radiationforce
声辐射力acousticradiationforce作用于声场中的物体上不包括声冲流作用的由声场引起的时间平均力；更为一般的定义是，排除声冲流作用，出现在不同声学特性的两个媒质界面的声场中的时间平均作用力。符号：F
单位：牛顿(N)
辐射压力
radiation pressure
声辐射压力
acousticradiationpressure
单位面积上的辐射力
单位：帕斯卡(Pa)
注：该术语在文献中被广泛使用。然而严格地说，单位面积上的辐射力是个张量力[4]，使用严格的科学术语时，应力张量。本标准中通常首选积分量“声辐射力”。无论何时，凡是术语“声辐射压力”出现时，宜称之为声辐射
应该被理解为
有轴方向上的法向辐射应力的负值靶target
经特殊设计的可の(截取)插入超声场的用来测量辐射力的器件。3.7
ultrasonic transduce
超声换能器
超声频率范围实现电能转换成机械能或机械能转接成电能的装置。3.8
辐射电导
radiation conductance
声输出功率与换
符号：G
单位：西门子(S)
4符号表
输人电压的有效值（RMS)平方之比。用于表征超声换能器电声转换的特性。AN
发射超声换能器的
声速（通常为水中的数
聚焦超声换能器的几何焦距。
沿人射超声波方向作用于靶上的辐射力。重力加速度。
辐射电导。
波数（2元/入）。
超声换能器的输出功率。
距超声换能器的归一化距离（s=α入/a2）。靶和超声换能器间的距离。
媒质（通常为水）中，平面波的幅度衰减系数。聚焦超声换能器的焦（半）角（=arcsin（α/d））。超声波的入射方向和靶的反射面法线间的夹角。波长。
β声传播媒质（通常是水）的（质量）密度。GB/T7966—2009/IEC61161:2006注：在F和θ的定义中提到的声波人射方向可理解为声场轴线的方向，即从整体角度而非局部层面来考虑。5对辐射力天平的要求
5.1概述
辐射力天平应包括与天平连接的靶。超声波束应垂直向上或垂直向下，或沿水平方向作用于靶上，并用天平测量超声波束发射的辐射力。超声功率将通过测量“有”与“无”超声辐射力的差值并按照附录B中给出的公式计算得到，可以利用已知质量的小型精密码校准天平。注：不同的辐射力测量装置参见图F.1至图F.7。每一测量装置各有其优、缺点，详情见附录F。5.2靶的类型
5.2.1概述
靶的声学特性应当已知，它与超声功率和辐射力之间的关系密切相关（参见A.5.2）。如果靶的选择是非常接近两种极限的情形之一，即全吸收体或全反射体，应根据具体的声场结构选择附录B中相应的公式进行计算，同时应当满足下列要求：5.2.2吸收靶
吸收靶［如图1，图F.1a)，图F.3，图F.4，图F.5a)和图F.7]应当具备：幅度反射系数小于3.5%；
靶的声能吸收大于99%（参见A.5.2.2）。5.2.3反射靶
反射靶[如图F.1，图F.2，图F.5b)和图F.6]应当具备：幅度反射系数应大于99%。
ka<30的超声换能器的功率测量不应使用圆锥形的反射靶。依据波束发散效应的理论，ka<17.4的超声换能器的功率测量不应使用圆锥半角为45°的凸圆锥形反射靶（参见A.5.3）。注：α的量值的准确含义视情况而定。对实际的换能器，是指与应用场合中专门定义相一致的有效换能器半径。在采用活塞近似的计算模型中，它是活塞的几何半径。另外，对于d<32a的聚焦换能器的功率测量，不应使用圆锥半角为45°的凸圆锥形反射靶。如果其几何焦距d未知，则当换能器声压最大值处靶与换能器之间的距离zr<1/[（1/32a）+（入/a2)]时，不应使用圆锥半角为45的凸圆锥形反射靶，注：上述情形建议限制凸圆锥形反射靶在非聚焦或弱聚焦声场条件下使用，这也符合本标准适用范围中提及的“最好针对准直良好的波束”的限制。然而，如果在强聚焦声场中使用凸圆锥形反射靶，此时应用式（B.5）进行计算时，需要考虑第7章中未提及的附加不确定度（参照A.5.2.3和B.6)。5.3靶的直径
靶的直径应足够大，便于拦截声场的所有有效部分。一般情况下，靶的直径应为超声换能器直径的1.5倍以上。
靶的直径是否大于超声换能器直径的1.5倍，取决于靶所在位置处声场的波束直径，波束直径应通过测量或依据如A.5.3中给出的理论估算公式计算获得。5.4天平/力测量系统
辐射力天平可以选用重力天平，因此，波束方向是垂直的，也可以选用力反馈方式设计的天平，允许波束方向是水平的。如果天平已按照质量单位进行校准，则天平读数对力值的正确转换应由辐射力装置的制造商或使用者来保证。
注：垂直波束取向的天平允许溯源到国家质量标准（校准码）。目前实际所应用的波束为水平方向的天平既可以用于反射靶[5.6]也可以用于吸收靶[7]。天平的校准可以通过合适的平衡臂附加装置或者利用已知声功率的超声源来进行校准。
对于所测量的超声功率的大小，使用的天平应有足够高的分辨力（参见A.5.4)。3
GB/T7966—2009/IEC61161:20065.5水槽系统
如果使用反射靶，则测量容器内壁应有吸声材料，使得反射产生的影响不超过总测量功率的1%（参见A.5.5)。
5.6靶的支撑装置
对于静态力天平，应设计支撑靶和承载通过空气-水界面的传递辐射力的结构元件，来限制水表面张力的影响，使其影响小于总测量功率的1%（参见A.5.6)。5.7换能器的安装
超声换能器的安装方法应该能使超声换能器相对靶有稳定和可重复的定位，使其引起的总测量功率的变化不超过1%。
5.8防冲流膜
若使用防冲流膜，它应安装在靠近靶的位置且不应该与超声换能器的表面平行[8]。如果其影响超过总测量功率的1%，则应测定其透声系数并加以校正（参见A.5.8）。注：实际上，5～10°的倾角是合适的。5.9换能器的耦合
超声换能器应与测量装置耦合，使对总测量功率产生的影响小于1%。否则，应对其进行修正（参见A.5.9）。
5.10校准
辐射力天平应使用已知质量的小码校准。同样，也可以使用已知输出功率的超声源对辐射力天平进行校准，在这种情况下，应每两年进行一次校准或当天平灵敏度指示有问题而导致测量超声功率有变化时应缩短其校准周期。
6测量条件的要求
6.1靶的横向位置
测量中，靶的横向位置应保持不变并可重复到由其引起的总测量功率的变化不超过1%的程度（参见A.6.1)。
6.2换能器与靶的距离
超声换能器表面与靶之间的距离或膜（若使用）与靶之间的距离应该已知并能重复，以使总测量功率可能的变化不超过1%（参见A.6.2）。6.3水
当使用辐射力天平时，测量所使用的液体应选用水。输出功率超过1W时，只能使用除气水。应按照如附录D中所描述的规范化过程来完成水的除气。在所有测量期间，要求使用除气水的地方，水中的含氧量应小于4mg/L（参见A.6.3)。6.4水的浸润
开始测量之前，应确保全部气泡从工作表面被消除。测量完成后，应再对工作表面进行检查，如果发现其表面留有任何气泡，则测量结果应作废（参见A.6.4)。6.5环境条件
对于毫瓦和微瓦级量程内功率的测量，应选用隔热的测量装置，或控制测量过程，包括数据采集，使得测量期间的热漂移及其他干扰对总测量功率所造成的影响不大于1%。测量装置应防止环境振动及空气流动（参见A.6.5)。6.6热漂移
当使用吸收靶时，应对由于吸收声能膨胀和浮力的变化所产生的热影响进行评估，该评估可通过记录超声换能器发射前、后的测量信号来进行（参见A.6.6)。7测量不确定度
7.1概述
总的测量不确定度的评估即测量准确度的评估应对每一使用的装置逐一进行。这些评估包括以下方面。4
应使用ISO指南评估不确定度[9]。7.2包括靶悬吊的天平系统
GB/T7966—2009/IEC61161:2006应使用已知质量的小码对用于辐射力测量的整个天平系统，包括水中的悬吊靶进行检查或校准。这个过程应该采用每一码重复几次，以获得测量结果的随机分布。对天平校准因子的不确定度的评估将从该校准结果及所使用码的质量不确定度得出。为了能够判断天平校准因子的长期稳定性，这些检查的结果应被归档（参见A.7.2）。7.3天平系统的线性度及分辨力
按照下列方法，天平系统的线性度应最少每六个月检查一次。在需要的天平输出范围内，应至少用三个不同质量的码按7.2中所描述的测量方法来完成天平系统线性的检查。如图2所示得出输入质量与天平读数的关系曲线。理想状况下，图上的结果点应该落在起始于坐标原点的直线上。如果出现偏离这一直线的情况，则由此可产生附加的不确定分量。由于小于10mg的磁码不便于操作，所以天平系统的线性度也可通过已知特性的超声换能器来检查，即通过改变激励电压幅度进而得到多个辐射力来检查天平系统的线性度。在这种情况下，图2中横坐标的输人量是换能器的超声输出功率，同时也应考虑它的不确定度。在不确定度分析时，应考虑天平的有限分辨力所引起的对功率不确定度的影响。7.4超声换能器开通瞬间的推算
在使用电子天平的情况下，为了获得辐射力的值，天平输出信号是作为时间的函数被记录下来并外推到超声换能器开通时刻相应的天平输出幅值。这种外推过程产生的不确定度主要取决于天平输出信号的离散程度（信噪比），外推结果的不确定度评定应通过回归算法中的标准数学程序进行评定7.5靶的缺陷
靶缺陷的影响应使用平面波近似来评估，具体描述见A.7.5。7.6反射靶的几何尺寸
反射靶几何尺寸的影响应予评估且应纳人整个系统的不确定度评定中（参见A.7.6)。7.7反射靶测量情况下的侧壁吸声材料在图F.1b)，图F.2，图F.5b)和图F.6中所用的侧壁吸声材料的影响应予评估且应纳入整个系统的不确定度评定中（参见A.7.7)。7.8靶的未对准
靶未对准的影响应该评估且应纳入整个系统的不确定度评定中（参见A.7.8）。7.9超声换能器的未对准
超声换能器未对准的影响应该评估且应纳入整个系统的不确定度评定中（参见A.7.9）。7.10水温
水温产生的不确定度应予评估且应纳入整个系统的不确定度评定中（参见A.7.10)。7.11超声衰减和声冲流
超声衰减和声冲流产生的不确定度应予评估且应纳入整个系统的不确定度度评定中（参见A.7.11)
7.12膜的特性
如果在辐射力测量中使用耦合膜或防护膜，则应考虑测量和评估膜的透射损失，同时也应考反射波对超声换能器产生的任何可能的影响。这些影响所引人的不确定度应逐一评估且应纳入整个系统的不确定度评定中。
7.13有限靶的尺寸
有限的靶尺寸对不确定度的影响应予评估且应纳入整个系统的不确定度评定中（参见A.7.13）。7.14平面波假设
采用平面波假设所产生的对不确定度的影响应予评估且应纳入整个系统的不确定度评定中5
GB/T7966—2009/IEC61161:2006（参见A.7.14)。
7.15环境影响
环境振动、空气流动或温度变化所产生的不确定度应该评估且应纳入整个系统的不确定度评定中（参见A.7.15)。
7.16激励电压测量
如果施加到超声换能器上的激励电压是被测量的且它的值和超声功率的测量结果是有关的，则它的测量不确定度应该评估且应纳人整个系统的不确定度评定中（参见A.7.16)。7.17超声换能器温度
如果要比较在不同温度下所测量的超声功率，则应对与温度相关的功率值进行检查，并考虑其影响（参见A.7.17)。
7.18非线性度
应该评估下述问题对非线性的潜在影响，如果必要的话，应包括在整个系统的不确定度中：包括靶悬吊在内的天平系统的非线性度；a
由于不良的除气水带来的非线性贡献；c)
超声衰减和声冲流；
d）与辐射力理论本身有关的非线性的影响（参见A.7.18)。7.19其他来源
应进行周期性的检查以便利用上述指南确定在7.2～7.18中规定总的不确定度是否不受任何其他随机分散源的影响（参见A.7.19）。1cm
图1吸收靶的剖面图
输入量
注：如果用已知质量的小码检查天平的线性度，输入量即为所用码的质量。如果用已知特性的超声换能器发射的超声场的辐射力来检查天平的线性度，输人量即为换能器的超声输出功率。图2线性度检查：天平读数随输入量的变化6
附录A
（资料性附录）
辐射力测量各方面的附加信息
GB/T7966—2009/IEC61161:2006这个附录包含关于本标准规范的附加信息，该附加信息有助于实际超声功率的测量。其章、节的编号遵循正文的格式。
A.1范围
注：辐射力等于时间平均动量流的变化[4]，因此与超声强度和功率有关。A.2规范性引用文件
A.3术语和定义
A.4符号表
A.5对辐射力天平的要求
A.5.1概述
A.5.2靶的类型
A.5.2.1概述
通常情况下，靶应是非常接近两种极限情形的一种，即全吸收靶或全反射靶[10]。为了避免环境压力的变化而导致的浮力变化，靶的压缩系数应尽可能地小。同时在其他方面还应非常地小心，以确保靶具有最稳定的浮力。
为了在可预测的不确定度范围内实施功率测量，靶的类型选择要依据超声波束与理论平面波的偏离程度大小，特别是反射靶，它的使用可能导致无法接受的不确定度（见5.2.3)。A.5.2.2吸收靶
吸收靶通常使用带有或没有尖劈斜楔的合适的弹性橡胶材料制作。为了增加吸声性能，材料可以包含非均质材料。
图1给出的是一种尖劈斜楔形吸收靶的结构示意。在这个示图中，非均质的材料浓度按体积计算从在尖劈处0增加到在后表面处的30%。在这个实例中，大约0.1mm直径的中空玻璃球作为非均匀性材料是令人满意的，因为它们对弹性橡胶材料的密度和可压缩性影响很小。其他类型的吸收靶在参考文献[11[12]中进行了描述。已经证明，声波束传播的功率高于10W或呈现高的局部功率密度时，均能在吸收靶内部引起非常高的局部温升，该温升会导致吸收靶损坏及声学特性的改变。观察到的温升可高达50℃以上。A.5.2.3反射靶
反射靶最主要的问题是减小其可压缩性，因为空气压力波动会改变靶的体积，从而改变靶的浮力，靶的体积及其浮力的变化与靶的可压缩性成比例。不应该使用由空气背衬薄金属板实现的平面声波反射器。使用实心金属板作为反射器，反射器被调整为与声束轴线成45°角，这样由于存在不可忽略的依7
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